熊 巍，何蔚珊

（1. 華南理工大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510000；2. 廣州美術(shù)學(xué)院 廣東省工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)意與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510220）

實(shí)驗(yàn)在化學(xué)學(xué)習(xí)中占有重要地位，學(xué)習(xí)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已有結(jié)論或是對(duì)假說(shuō)進(jìn)行探索研究[1]。但在實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)者進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)受到較大的時(shí)空和資源限制。由于實(shí)驗(yàn)人數(shù)多、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足等原因，學(xué)生重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)較少，且不宜進(jìn)行有一定危險(xiǎn)性的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。此外，某些實(shí)驗(yàn)反應(yīng)進(jìn)程緩慢、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯[2]，上述因素都影響了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效率。

化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室通過(guò)設(shè)定好的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬[3]。在化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)者使用交互設(shè)備硬件和虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與虛擬儀器進(jìn)行交互，完成與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的各種操作，并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察和記錄[4]。化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室可以彌補(bǔ)因?qū)嶒?yàn)教學(xué)資源不足帶來(lái)的問(wèn)題，并且有效降低實(shí)驗(yàn)者親手開(kāi)展實(shí)物實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣和效率[5]。本文基于Unity 3D 平臺(tái)開(kāi)發(fā)二維化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)程序，為學(xué)生提供一個(gè)虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)。

1 化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

1.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)Unity 3D 介紹

根據(jù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的不同可將虛擬實(shí)驗(yàn)分為以下幾種：基于Virtools 技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)、基于VRML 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)、基于Cult 3D 技術(shù)的化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)[6]、基于交互式Flash 的仿真實(shí)驗(yàn)等。本文研究的虛擬實(shí)驗(yàn)則選擇在Unity 3D 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的仿真實(shí)驗(yàn)。Unity 3D 是一款跨平臺(tái)游戲引擎，可用于創(chuàng)建視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等互動(dòng)內(nèi)容，而它最常用來(lái)進(jìn)行游戲的開(kāi)發(fā)以及虛擬社區(qū)設(shè)計(jì)。Unity 3D與其他虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)比具有以下優(yōu)勢(shì)：良好的平臺(tái)可移植性和人機(jī)交互性，可利用其內(nèi)置物理引擎模擬實(shí)際的物理現(xiàn)象[7]。在Unity 3D 開(kāi)發(fā)環(huán)境中，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言在Windows 系統(tǒng)中編寫(xiě)腳本以實(shí)現(xiàn)基本功能。

1.2 化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)及界面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)主要涉及用戶如何通過(guò)智能設(shè)備使用虛擬實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)則是對(duì)具體實(shí)驗(yàn)的操作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)；而虛擬實(shí)驗(yàn)室的交互設(shè)計(jì)旨在為用戶提供良好的交互體驗(yàn)；界面設(shè)計(jì)則是對(duì)界面元素進(jìn)行視覺(jué)設(shè)計(jì)。

1.2.1 化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由設(shè)備硬件和軟件構(gòu)成，硬件包括：智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)以及輸入輸出設(shè)備（如鼠標(biāo)、顯示屏等）。由于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用二維的方式呈現(xiàn)，因此對(duì)硬件的配置要求并不高，易于在不同的平臺(tái)進(jìn)行推廣，化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)框架

1.2.2 化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的流程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)者進(jìn)入化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，選擇一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，通過(guò)輸入輸出設(shè)備與其中的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行交互。在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室中配有多種儀器以及藥品，實(shí)驗(yàn)者可以在其中選用合適的儀器進(jìn)行組合，開(kāi)展多種實(shí)驗(yàn)[8]。為了降低實(shí)驗(yàn)者的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，在所設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)者每次只能選擇一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)設(shè)好的實(shí)驗(yàn)操作，這是因?yàn)槿绻麑?shí)驗(yàn)者在化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室中能夠自主選擇儀器組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就需要將大量的儀器和藥品呈現(xiàn)給實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行挑選，這樣不利于實(shí)驗(yàn)者專注于具體的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

1.2.3 化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的交互設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)的交互設(shè)計(jì)需要遵從一致性原則，降低用戶的記憶負(fù)擔(dān)以及為用戶行為提供提示和反饋。為了降低實(shí)驗(yàn)者的記憶負(fù)擔(dān)，本設(shè)計(jì)僅呈現(xiàn)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)所需的藥劑和器材，避免因擺放過(guò)多元素而造成實(shí)驗(yàn)者的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。同時(shí)本設(shè)計(jì)中有一塊用于展示實(shí)驗(yàn)信息的黑板為實(shí)驗(yàn)者提供具體的操作指引，幫助實(shí)驗(yàn)者更好地完成實(shí)驗(yàn)，展示操作提示的黑板如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)操作提示黑板

圖4 常用的實(shí)驗(yàn)器皿

1.2.4 化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景設(shè)計(jì)

為了讓虛擬實(shí)驗(yàn)室提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的使用體驗(yàn)，降低學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，在界面設(shè)計(jì)時(shí)參考了真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景布置[9]。虛擬實(shí)驗(yàn)室中，黑板上的文字選擇手寫(xiě)風(fēng)格的字體，使整體風(fēng)格更為活潑，也更接近真實(shí)場(chǎng)景。仿照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室布置，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)者的所有操作都在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成。針對(duì)每個(gè)具體實(shí)驗(yàn)，繪制了所需要的實(shí)驗(yàn)器皿以及實(shí)驗(yàn)藥品，包括最為常用的鐵架臺(tái)、燒杯、燒瓶、酒精燈、試劑瓶等（見(jiàn)圖4）。在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，設(shè)置了離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室的按鈕，以便實(shí)驗(yàn)者遇到中途需要離開(kāi)的情況下能夠退出正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

2 化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)實(shí)例

本節(jié)通過(guò)介紹過(guò)氧化氫加熱分解以及在裝有蔗糖和水的燒杯中加入硫酸的兩個(gè)具體案例來(lái)論證化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的可行性。

2.1 過(guò)氧化氫加熱分解實(shí)驗(yàn)的案例開(kāi)發(fā)

在進(jìn)行過(guò)氧化氫加熱分解的實(shí)驗(yàn)中，首先將圓底燒瓶固定在鐵架臺(tái)上，然后移走裝有過(guò)氧化氫的細(xì)口瓶瓶蓋，將過(guò)氧化氫倒入圓底燒瓶中，接下來(lái)將酒精燈移動(dòng)到鐵架臺(tái)上，使酒精燈對(duì)著圓底燒瓶的底部，點(diǎn)燃酒精燈開(kāi)始加熱圓底燒瓶中的過(guò)氧化氫。過(guò)氧化氫加熱分解實(shí)驗(yàn)的案例開(kāi)發(fā)分為三個(gè)部分：前期工作、中期工作以及后期工作。

2.1.1 前期工作

前期工作包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)儀器以及用戶界面。使用Adobe Illustrator 繪制實(shí)驗(yàn)室背景以及實(shí)驗(yàn)所需要用到的實(shí)驗(yàn)器皿（見(jiàn)圖5）。

圖5 繪制儀器和實(shí)驗(yàn)室背景

2.1.2 中期工作

中期工作主要在Unity 3D 中進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要包括實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的交互功能以及制作實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的交互動(dòng)畫(huà)。

（1）實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的交互功能。實(shí)驗(yàn)者使用鼠標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行操作控制。首先將需要實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)拖拽移動(dòng)的元件導(dǎo)入到Unity 3D 中，使用Unity 3D 插件NGUI 中的圖集功能將交互元素打包制作一個(gè)圖集。接下來(lái)將圖集中的元件置入場(chǎng)景中，將NGUI 自帶的UI Drag Drop Item 腳本添加到需要實(shí)現(xiàn)拖拽移動(dòng)功能的元件上，就可以實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)拖拽移動(dòng)效果。

（2）制作交互動(dòng)畫(huà)。在二維的化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室中，許多實(shí)驗(yàn)效果是通過(guò)動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)的。在過(guò)氧化氫加熱分解這個(gè)案例中，點(diǎn)擊裝有過(guò)氧化氫的細(xì)口瓶后，瓶子傾斜的效果是通過(guò)旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫(huà)功能制作的；圓底燒瓶中過(guò)氧化氫溶液液面上升的效果則是通過(guò)逐幀動(dòng)畫(huà)功能制作的。下面以圓底燒瓶中過(guò)氧化氫溶液液面上升的動(dòng)畫(huà)制作為例，具體說(shuō)明交互動(dòng)畫(huà)的制作過(guò)程。

首先，在AI 中繪制好一系列圓底燒瓶中過(guò)氧化氫上升的圖片，并打包制作成圖集。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者點(diǎn)擊裝有過(guò)氧化氫溶液的細(xì)口瓶時(shí)，細(xì)口瓶?jī)A斜，過(guò)氧化氫倒出，圓底燒瓶中的液面高度上升。由此可見(jiàn)，控制液面上升動(dòng)畫(huà)是否播放的腳本應(yīng)該掛載在裝有過(guò)氧化氫的細(xì)口瓶上。在細(xì)口瓶中添加一個(gè)控制動(dòng)畫(huà)播放的腳本并命名為controlanim。

在腳本controlanim 中，編寫(xiě)如下代碼實(shí)現(xiàn)在點(diǎn)擊細(xì)口瓶時(shí)圓底燒瓶中的液面上升這一效果：

public class controlanim: MonoBehaviour {

private bool isPlayAnimation = false;

public UISpriteAnimation waterRise;

public GameObject shaoPing;

public GameObject water;}

接下來(lái)就需要接收鼠標(biāo)的點(diǎn)擊事件，以便觸發(fā)動(dòng)畫(huà)的播放。當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊時(shí)，如果動(dòng)畫(huà)正在播放，此時(shí)點(diǎn)擊鼠標(biāo)就停止動(dòng)畫(huà)播放。在另一種情況下，若鼠標(biāo)點(diǎn)擊時(shí)，動(dòng)畫(huà)沒(méi)有播放，則將UISpriteAnimation 變?yōu)檎妫髽?biāo)點(diǎn)擊后動(dòng)畫(huà)就會(huì)從不播放變?yōu)椴シ?，同時(shí)將動(dòng)畫(huà)播放的速度設(shè)置為每秒5 逐幀，且不進(jìn)行循環(huán)播放[10]。

void OnClick()

if (isPlayAnimation)

{isPlayAnimation=false;

waterRise.Pause();}

else {isPlayAnimation=true;

if (waterRise){waterRise.Play();}

else{waterRise

=sprite.AddComponent();

waterRise.framesPerSecond=5;

waterRise.loop=false;}}

2.1.3 后期工作

使用Unity 3D 發(fā)布適用于桌面端和安卓智能手機(jī)的應(yīng)用程序。將化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)布到計(jì)算機(jī)端只需要在File 中點(diǎn)擊Build Setting，選擇發(fā)布到個(gè)人計(jì)算機(jī)，點(diǎn)擊Build 按鈕，Unity 3D 會(huì)運(yùn)行生成一個(gè)帶有.exe的程序[11]。發(fā)布完成后直接點(diǎn)開(kāi)該程序就能運(yùn)行化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室。而將化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)布到安卓平臺(tái)則需要配置安卓的開(kāi)發(fā)環(huán)境。首先在Unity 3D 的菜單中點(diǎn)擊Edit，選擇Preferences 打開(kāi)Unity Preferences 面板，在External Tools 中，會(huì)看到安卓編譯環(huán)境需要的三個(gè)必須具備的軟件，點(diǎn)擊Download 按鈕下載并安裝，在安裝完成后點(diǎn)擊Browse 填入安裝的路徑。接下來(lái)需要對(duì)Windows 系統(tǒng)下的Java 環(huán)境變量進(jìn)行配置。完成以上的設(shè)置后，就可以對(duì)安卓應(yīng)用程序進(jìn)行編譯。

2.2 將濃硫酸加入到蔗糖中的實(shí)驗(yàn)的案例開(kāi)發(fā)

濃硫酸具有極大的腐蝕性和強(qiáng)氧化性，同時(shí)反應(yīng)生成的二氧化硫?qū)粑赖慕】涤胸?fù)面影響，考慮到實(shí)驗(yàn)的安全性，在中學(xué)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一般由教師在講臺(tái)上演示。將這個(gè)實(shí)驗(yàn)制作為化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)后，能夠幫助不能親手操作的實(shí)驗(yàn)者更好地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，了解該實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)操作流程如圖6 所示。首先移走裝有濃硫酸的細(xì)口瓶的瓶蓋，將濃硫酸倒入裝有蔗糖和水的燒杯中，然后反應(yīng)開(kāi)始，觀察反應(yīng)現(xiàn)象。

圖6 實(shí)驗(yàn)操作流程

在Unity 3D 中，對(duì)該實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)過(guò)程與過(guò)氧化氫加熱分解的實(shí)驗(yàn)相似，不再累述。實(shí)驗(yàn)的界面如圖7 所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)界面

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比具有實(shí)驗(yàn)成本小、不受時(shí)空限制、操作風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)[12]，虛擬實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率[13]。本文結(jié)合Unity 3D 技術(shù)，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架、實(shí)驗(yàn)流程、交互方式以及操作界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)具體的化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，驗(yàn)證了基于Unity 3D 平臺(tái)進(jìn)行化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的可行性。但是本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仍有不足之處，如缺乏實(shí)驗(yàn)報(bào)告填寫(xiě)功能，不能為實(shí)驗(yàn)操作者提供實(shí)時(shí)反饋等。在后續(xù)的改進(jìn)中，將進(jìn)一步完善本化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為實(shí)驗(yàn)者提供更為優(yōu)良的交互體驗(yàn)。